分析了常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質的管路系統進行流量控制時的損壞原因，介紹了3 種具有流量控制功能防沖刷磨損的球閥及流量控制系統的結構與設計。產品已獲國家專利( 專利號: ZL 201120216593. 7、ZL 201120470509. 4、ZL 201420294111. 3) 。

1、概述

　　隨著工業的發展，閥門的使用工況越來越復雜，在很多工業領域，如煤制油、煤化工、多晶硅、有機硅、催化汽油吸附脫硫、延遲焦化、電廠排渣等裝置，管路系統中的介質含有大量的硬固體顆粒。對于閘閥、截止閥等傳統閥類，由于固體顆粒介質會在閥腔中沉積，導致閥門無法關閉和密封。另外，閥門開啟時密封面暴露在介質中，硬固體顆粒介質會直接沖刷和磨損密封面，閥門使用壽命極短，因此，目前國內外針對該類工況一般選用金屬密封球閥。

　　金屬密封球閥在全開啟狀態下，閥座密封面及球體密封面處于受保護狀態，不會被硬固體顆粒介質沖刷和磨損。在開啟和關閉過程中金屬密封球閥能夠自動刮除密封面上的固體介質，從而確保可靠密封，另外，耐磨球閥的密封面采用耐磨材料，因此，閥門用于含硬固體顆粒介質的管路系統進行開關控制時，具有理想的使用效果和使用壽命。但是，當含硬固體顆粒介質的管路系統需要進行流量控制時，常規金屬密封球閥的使用壽命卻很短，大量的使用表明，常規金屬密封球閥僅適用于含硬固體顆粒介質管路系統的開關控制，而不適用該類管路系統的流量控制。

2、常規金屬密封球閥用于管路系統流量控制時的分析

　　通常金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質管路系統的開關控制。但是，某些工況需要用耐磨球閥進行管路系統的流量調節與控制。常規金屬密封球閥在硬固體顆粒介質的管路系統進行流量調節和流量控制時壽命很短，甚至使用數小時閥門就完全損壞。為了控制管路系統的流量，球閥處于部分開啟狀態(圖1) ，此時，流經球閥的介質在通道截面1 處由于節流而使流速增大，高速流動的固體顆粒介質

　　直接沖刷在球體的A 部位以及閥體的B 部位，導致A、B 部位的磨損與損壞。圖2 是常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質的管路系統進流量調節時的損壞情況。

圖1 金屬密封球閥處于部分開啟狀態

圖2 金屬密封球閥受到沖刷和磨損的狀態

　　當常規金屬密封球閥用于管路系統進行流量調節時，閥門內部介質經節流后流速增大、流向改變，導致硬固體顆粒介質直接對球體和閥體的高速沖刷，是常規金屬密封球閥磨損和損壞的原因。

3、具有流量控制功能防沖刷磨損球閥及流量控制系統的結構設計

　　通過改變球閥的開度來達到控制管路系統流量的目的，但是，球閥在改變開度的同時也改變了介質在局部區域的流速和流向，導致高速流動的介質直接對球體及閥體的沖刷，因此，通過對球閥結構設計的改變，盡可能減少高速流動介質對球體及閥體的直接沖刷，從而延長球閥的使用壽命。圖3 是一種適用于流量控制的耐磨球閥，該結構設計是將球體出口一側去除一部分，當球閥通過改變開度來控制流量時，經過球體進口側的高速流體的流向不會有很大的改變。因此，真空技術網（http://smsksx.com/）認為介質對于球體及閥體的沖刷會大大減少，從而有效減少了球體及閥體的磨損和損壞，實際使用表明，該結構的球閥用于含硬固體顆粒介質的管路系統進行流量控制時，使用壽命提高了10 多倍。

　　圖3的耐磨球閥可以通過改變球體的開度來調節管路系統的流量，但是，采用該結構的耐磨球閥進行流量調節與控制時，介質的流動方向還是有一些改變，從而會對球體及閥體有一定程度的沖刷和磨損。因此，針對定流量管路控制系統，設計開發了另一種具有流量控制功能的防沖刷磨損的耐磨球閥(圖4) ，該結構的球閥采用半球結構設計，在球體上設置了一個小孔，該小孔的尺寸根據需要控制的流量進行設置，當球閥全開啟時，通道完全暢通，此時介質的流動基本不會對閥門產生沖刷和磨損。當需要進行管路系統的流量控制時，球體上的小孔處于閥門通道的正中位置，此時，經過該小孔的節流，高速流經小孔的介質處于球閥通道的正中部位，故不會對閥體及球體產生沖刷和磨損。采用該結構的耐磨球閥替代常規耐磨球閥，成功應用于煤氣化裝置的渣水排放，實際使用表明，閥門的使用壽命提高了幾十倍。

圖3 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥

圖4 具有流量控制功能防沖刷磨損的耐磨球閥工作狀態

　　在工程管路系統中的介質含有大量硬固體顆粒，當管路系統壓力較高時需要通過閥門來控制管路中介質的流量，避免因流量過大而發生事故，而當管路中的壓力降低到規定的壓力后，要求管路暢通使介質迅速排放。為了滿足使用要求，設計開發了采用金屬密封球閥的防沖刷磨損的管路流量控制系統( 圖5) 。圖中A 是管路的進口側，B 是管路的出口側，在主管線耐磨球閥的進出口兩側設置旁路管線，在旁路管線上安裝流量限制孔板和旁路管線耐磨球閥。孔板設置在旁路管線的進口一側，在旁路管線的出口一側設置耐磨球閥。孔板的限流孔設置在孔板的中心位置，孔板限流孔的孔徑根據流量確定。通常要求旁路管線的通道面積數倍于孔板的限流孔面積。真空技術網（http://smsksx.com/）為了確保孔板的耐磨性能，孔板通常采用硬質合金、陶瓷等耐磨材料制造。

　　主管線耐磨球閥和旁路管線金屬密封球閥關閉時，管路系統處于關閉狀態。當進口側壓力較高，開啟閥門時需要控制管路系統的流量。先將旁路管線耐磨球閥全開啟，此時，進口側的高壓介質通過旁路管線流到出口側，孔板的限流使流量得到了控制。由于旁路管線的通道面積遠大于孔板的通道面積，受孔板的限制，旁路管線的流速也得到了限制，避免了旁路管線因為介質流速較大而被沖刷磨損。孔板的限流，介質流經孔板時會產生較高的流速，由于限流孔設置在孔板的中心，因此經過孔板的高速介質不會直接沖刷到管壁，從而確保了旁路管線不會被沖刷磨損。當進口側壓力通過旁路管線泄放而降低到規定的壓力時，可以將主管線耐磨球閥打開，此時能夠保證主管路暢通，使介質得到迅速的排放。

　　系統在進行主管線的開關控制以及流量控制時，主管線耐磨球閥和旁路管線耐磨球閥均只需要全開全關操作，而不需要部分開啟，因此，可以防止球閥因為部分開啟而導致介質對球體及閥體的沖刷磨損。管路流量控制系統滿足了工況對于系統開關及流量控制的要求，并能夠有效防止閥門使用時被沖刷磨損。該流量控制系統已成功應用于垃圾處理發電系統，使用結果表明，采用該流量控制系統替代單一的耐磨球閥，可提高閥門的使用壽命幾十倍。

圖5 防沖刷磨損的管路流量控制系統

4、結語

　　常規金屬密封球閥用于含硬固體顆粒介質的管路系統進行開關控制時具有良好的使用壽命，但用于該管路系統進行流量控制時使用壽命很短。針對常規金屬密封球閥用于流量控制時的損壞原因及不同流量的控制要求，設計開發的3 種具有流量控制功能防沖刷磨損耐磨球閥以及流量控制系統，成功應用于多種含硬固體顆粒的管路系統中，能夠有效防止硬固體顆粒介質的沖刷和磨損，使用壽命長。